Usando radiotelescopi osservando stelle lontane, gli scienziati hanno collegato orologi atomici ottici in diversi continenti. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Fisica della natura da una collaborazione internazionale tra 33 astronomi ed esperti di orologi presso il National Institute of Information and Communications Technology (NICT, Giappone), l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italia), l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italia), e il Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Francia).

Il BIPM di Sèvres vicino a Parigi calcola abitualmente l'ora internazionale raccomandata per l'uso civile (UTC, Coordinated Universal Time) dal confronto di orologi atomici tramite comunicazioni satellitari. Però, le connessioni satellitari che sono essenziali per mantenere un tempo globale sincronizzato non hanno tenuto il passo con lo sviluppo di nuovi orologi atomici:orologi ottici che utilizzano laser che interagiscono con atomi ultrafreddi per dare un ticchettio molto raffinato. "Per ricevere tutti i vantaggi degli orologi ottici in UTC, è importante migliorare i metodi di confronto dell'orologio in tutto il mondo, " disse Gerard Petit, fisico presso il Dipartimento del Tempo al BIPM.

In questa nuova ricerca, Le radiosorgenti extragalattiche ad alta energia sostituiscono i satelliti come sorgente di segnali di riferimento. Il gruppo di Sekido Mamoru al NICT ha progettato due speciali radiotelescopi, uno schierato in Giappone e l'altro in Italia, realizzare la connessione utilizzando la tecnica della Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Questi telescopi sono in grado di effettuare osservazioni su un'ampia larghezza di banda, mentre le antenne paraboliche di soli 2,4 metri di diametro le mantengono trasportabili. "Vogliamo dimostrare che la banda larga VLBI ha il potenziale per essere uno strumento potente non solo per la geodesia e l'astronomia, ma anche per la metrologia." ha commentato Sekido. Per raggiungere la sensibilità richiesta, le piccole antenne lavoravano in tandem con un radiotelescopio più grande di 34 m a Kashima, Giappone durante le misurazioni effettuate dal 14 ottobre 2018 al 14 febbraio 2019. Per il radiotelescopio Kashima, queste sono state tra le ultime osservazioni prima che il telescopio fosse irreparabilmente danneggiato dal tifone Faxai nel settembre 2019.

L'obiettivo della collaborazione era quello di collegare due orologi ottici in Italia e Giappone, separati da una distanza di base di 8700 km. Questi orologi caricano centinaia di atomi ultrafreddi in un reticolo ottico, una trappola atomica progettata con luce laser. Gli orologi utilizzano diverse specie atomiche:itterbio per l'orologio all'INRIM e stronzio al NICT. Entrambi sono candidati per una futura ridefinizione del secondo nel Sistema Internazionale di Unità (SI). "Oggi, la nuova generazione di orologi ottici spinge a rivedere la definizione del secondo. La strada verso una ridefinizione deve affrontare la sfida di confrontare gli orologi a livello globale, su scala intercontinentale, con prestazioni migliori di oggi, " ha detto Davide Calonico, capo della divisione Metrologia Quantistica e Nanotecnologie e coordinatore della ricerca presso l'INRIM.

La connessione è possibile osservando quasar a miliardi di anni luce di distanza:sorgenti radio alimentate da buchi neri del peso di milioni di masse solari, ma così distanti da poter essere considerati punti fissi nel cielo. I telescopi mirano a una stella diversa ogni pochi minuti per compensare gli effetti dell'atmosfera. "Abbiamo osservato il segnale non dai satelliti, ma da sorgenti radio cosmiche, " ha commentato IDO Tetsuya, direttore dello "Space-Time Standards Laboratory" e coordinatore della ricerca presso NICT. "VLBI potrebbe consentirci in Asia di accedere all'UTC facendo affidamento su ciò che possiamo preparare da soli, " ha aggiunto IDO.

Antenne come quelle trasportabili utilizzate in queste misurazioni possono essere installate direttamente presso i laboratori che sviluppano orologi ottici in tutto il mondo. Secondo Sekido, "una rete globale di orologi ottici collegati da VLBI può essere realizzata dalla collaborazione tra le comunità internazionali di metrologia e geodesia, proprio come è già stata istituita la rete VLBI a banda larga del VLBI Global Observing System (VGOS), "mentre Petit commentava, "in attesa di collegamenti ottici a lunga distanza, questa ricerca mostra che c'è ancora molto da guadagnare dai collegamenti radio, dove VLBI con antenne trasportabili può integrare i sistemi globali di navigazione satellitare e i satelliti per telecomunicazioni."

Oltre a migliorare il cronometraggio internazionale, tale infrastruttura apre anche nuovi modi per studiare la fisica fondamentale e la relatività generale, per esplorare le variazioni del campo gravitazionale terrestre, o anche la variazione delle costanti fondamentali alla base della fisica. Federico Perini, coordinatore della ricerca presso INAF, commentato, "Siamo orgogliosi di aver fatto parte di questa collaborazione aiutando a realizzare un così grande passo avanti nello sviluppo di una tecnica che, utilizzando le radiosorgenti più lontane dell'Universo, rende possibile la misura delle frequenze generate da due degli orologi più precisi qui sulla Terra." conclude Calonico, "Il nostro confronto con VLBI offre una nuova prospettiva per migliorare e studiare nuovi metodi per i confronti di clock, guardando anche alla contaminazione tra diverse discipline”.